【正文】 技術(shù)保證，這也將是現(xiàn)代電源發(fā)展的必然結(jié)果。 逆變技術(shù)存在的難點(diǎn)數(shù)字化是逆變電源發(fā)展的主要方向，但還是需要解決以下一些難題：（1）逆變電源輸出要跟蹤的是一個(gè)按正弦規(guī)律變化的給定信號(hào)，它不同于一般開關(guān)電源的常值控制。在閉環(huán)控制下，給定信號(hào)與反饋信號(hào)的時(shí)間差就體現(xiàn)為明顯的相位差，這種相位差與負(fù)載是相關(guān)的，這就給控制器的設(shè)計(jì)帶來了困難。 （2）逆變電源輸出濾波器對(duì)系統(tǒng)的模型影響很大，輸入電壓的波動(dòng)幅值和負(fù)載的性質(zhì)，大小的變化范圍往往比較大，這些都增加了控制對(duì)象的復(fù)雜性，使得控制對(duì)象模型的高階性、不確定性、非線性顯著增加。 （3）對(duì)于數(shù)字式PWM，都存在一個(gè)開關(guān)周期的失控區(qū)間，一般是在每個(gè)開關(guān)周期的開始或上個(gè)周期之后確定本次脈沖的寬度，即使這時(shí)系統(tǒng)發(fā)生了變化，也只能在下一個(gè)開關(guān)周期對(duì)脈沖寬度做出調(diào)整，所以現(xiàn)在逆變電源的數(shù)字化控制引起了廣泛的關(guān)注。 本文研究內(nèi)容本文研究的主要內(nèi)容如下：（1） 掌握單相電壓型逆變器的工作原理；（2） 掌握SPWM原理，繪制逆變器控制程序流程圖；（3）用C語言編寫DSP程序，完成逆變器的軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成的逆變器能輸出單相正弦波，并給出實(shí)驗(yàn)波形。（4）計(jì)算正弦調(diào)制波，并將調(diào)制波數(shù)據(jù)以數(shù)組形式存儲(chǔ)在DSP的RAM中。通過改變調(diào)制度，改變輸出正弦波的幅值。第2章 逆變器的工作原理 逆變器的分類逆變器的種類很多，可按照不同的方法進(jìn)行分類。 ⑴ 按逆變器輸出交流電能的頻率，可分為工頻逆變器，中頻逆變器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為5060HZ的逆變器；中頻逆變器的頻率一般為400HZ到十幾KHZ；高頻逆變器的頻率一般為十幾KHZ到MHZ。 ⑵ 按逆變器輸出的相數(shù)，可分為單相逆變器，三相逆變器和多相逆變器。 ⑶ 按照逆變器輸出電能的去向，可分為有源逆變器和無源逆變器。凡將逆變器輸出的電能向電網(wǎng)側(cè)輸送的逆變器，稱為有源逆變器；凡將逆變器輸出的電能向電能負(fù)載輸送的逆變器稱為無源逆變器。 ⑷ 按逆變器主電路的形式，可分為單端式逆變器，推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。 ⑸ 按逆變器主開關(guān)器件的類型，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場(chǎng)效應(yīng)管逆變器和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變器等。也可以將其歸納為“半控型”逆變器和“全控型”逆變器兩大類。其中半控型器件不具備自關(guān)斷能力，元器件在導(dǎo)通后即失去控制作用，故稱之為“半控型”，晶閘管屬于這一類器件。而全控型器件具有自關(guān)斷能力，即器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均可由器件的控制極加以控制，電力場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）及MOSFET都屬于這一類器件。 ⑹ 按直流電源類型，可分為電壓源型逆變器（VSI）和電流源型逆變器（CSI）。 ⑺ 按逆變器輸出電壓或電流的波形，可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。 ⑻ 按逆變器環(huán)流方式分，可分為負(fù)載換流式逆變器和自換流式逆變器。 逆變技術(shù)指標(biāo) 額定輸出電壓 在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動(dòng)范圍內(nèi)，它表示逆變器能輸出的額定電壓值。對(duì)輸出額定電壓值的穩(wěn)定準(zhǔn)確度一般有如下規(guī)定： （1）在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓波動(dòng)范圍應(yīng)有一個(gè)規(guī)定，例如逆變器輸出電壓偏差不超過額定值的177。3%或177。5%。（2）在負(fù)載突變（額定負(fù)載0%→50%→100%）或有其他干擾因素影響的動(dòng)態(tài)情況下，逆變器輸出電壓偏差不應(yīng)超過額定值的177。8%或177。10%。 輸出電壓的波形失真度 當(dāng)逆變器輸出電壓為正弦波時(shí)，應(yīng)規(guī)定允許的最大波形失真度（或諧波分量）。通常以輸出電壓的總波形式失真度表示，其值不應(yīng)超過5%（單相輸出允許10%）。 額定輸出頻率 逆變器輸出交流地那英的頻率應(yīng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，通常為工頻50HZ。正常工作條件下其值應(yīng)在177。1%以內(nèi)。 保護(hù) （1）過電壓保護(hù)：對(duì)與沒電壓穩(wěn)定措施的逆變器，應(yīng)有輸出過電壓防護(hù)措施，以使負(fù)載免受輸出過電壓的損害。 （2）過電流保護(hù)：逆變器的過電路保護(hù)，應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流過允許值時(shí)及時(shí)動(dòng)作，使其免受浪涌電流的損傷。 啟動(dòng)特性逆變器帶負(fù)載啟動(dòng)的能力和動(dòng)態(tài)工作時(shí)的性能。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(dòng)。 噪聲電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開關(guān)等部件均會(huì)產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運(yùn)行時(shí)，其噪聲應(yīng)不超過80DB,小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過65DB. 逆變器結(jié)構(gòu)分析 逆變器基本結(jié)構(gòu)逆變器采用 AC－DC－AC（交－直－交）的結(jié)構(gòu)形式，其基本結(jié)構(gòu)如圖21所示，主要由輸入、整流、逆變、輸出、驅(qū)動(dòng)與控制以及保護(hù)等電路組成。輸入電路整流電路逆變電路輸出電流輔助電源驅(qū)動(dòng)與控制電路保護(hù)電路圖 21 逆變器的基本結(jié)構(gòu)圖(1) 輸入電路逆變主電路輸入如果是交流電，首先要經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)換為直流，提供穩(wěn)定的直流電壓。(2) 輸出電路輸出電路主要是濾波電路。對(duì)于隔離分析式逆變電源，在輸出電路的前面還有逆變變壓器；對(duì)于開環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路；而對(duì)于閉環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量還要反饋到控制電路。(3) 驅(qū)動(dòng)與控制電路驅(qū)動(dòng)與控制電路的功能就是按要求產(chǎn)生一系列的控制脈沖，來控制逆變開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，并能調(diào)節(jié)其頻率，控制逆變主電路完成逆變功能。在逆變系統(tǒng)中，控制電路與逆變主電路具有同樣的重要性。(4) 輔助電源輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。(5) 保護(hù)電路保護(hù)電路主要具有：輸入過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)功能；輸出過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)功能；過載保護(hù)功能；過電流和短路保護(hù)功能。(6) 逆變主電路逆變主電路主要是根據(jù)變化的驅(qū)動(dòng)控制脈沖得到變化的高壓交流脈沖，即把穩(wěn)定的直流電壓變換為交流脈沖電壓，完成逆變?，F(xiàn)普遍使用的單相逆變主電路為全橋式逆變電路。 逆變電路的基本工作原理 以單相橋式逆變電路為例說明其最基本的工作原理，圖（a）中S1~S4是橋式電路的4個(gè)臂，它們由電力電子器件及輔助電路組成，當(dāng)開關(guān)SS4斷開，SS3閉合時(shí)，uo為負(fù)，其波形如下圖所示，這樣就把直流電變成交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即改變輸出交流電的頻率，這就是逆變電路的最基本的工作原理。當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，負(fù)載電流io和電壓uo波形形狀相同，相位也相同。當(dāng)負(fù)載為阻感負(fù)載時(shí)，io的基波相位滯后于uo的基波，兩者波形形狀也不同，圖（b）給出的就是阻感負(fù)載時(shí)的io波形。圖22 逆變電路及其波形 設(shè)t1時(shí)刻以前SS4導(dǎo)通，uo和io均為正。在t1時(shí)刻斷開S1和S4,同時(shí)合上SS3導(dǎo)通,則uo的極性立刻變?yōu)樨?fù)。但是，因?yàn)樨?fù)載中有電感，其電流極性不能立刻改變而仍維持原方向。這時(shí)負(fù)載電流從直流電源負(fù)極流出，經(jīng)S負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量向直流電源反饋，負(fù)載電流逐漸減小，到t2時(shí)刻降為零，之后io才反向并逐漸增大。SS3斷開，SS4閉合時(shí)的情況類似。 逆變電路的換流方式 在圖22的逆變電路工作過程中，在t1時(shí)刻出現(xiàn)了電流從S1到S2,以及從S3到S4的轉(zhuǎn)移。電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程稱為換流，也常被稱為換相。 換流方式的分類 ①器件換流 利用全控型器件的自關(guān)能力進(jìn)行換流。在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中，其換流方式即為器件換流。 ②電網(wǎng)換流 由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。可控整流電路、交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交變變頻電路，不需器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加元件。可控整流電路，無論其工作在整流狀態(tài)還是有源逆變狀態(tài)，都是借助于電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)換流的，都屬于電網(wǎng)換流。三相交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交交變頻電路中的換流方式也都是電網(wǎng)換流。在換流時(shí)，只要把負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在遇關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。這種換流方式不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加任何元件，但是不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。 ③負(fù)載換流 由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流。負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，負(fù)載為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。另外，當(dāng)負(fù)載為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于可以控制勵(lì)磁電流使負(fù)載呈現(xiàn)容性，因而也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。圖23 a是基本的負(fù)載換流逆變電路，四個(gè)橋臂均由晶閘管組成。其負(fù)載是電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。在實(shí)際電路中，電容往往是為改善負(fù)載功率因數(shù)，使其略呈容性而接入的。由于在直流側(cè)傳入了一個(gè)很大的電感，因而在工作過程中可以認(rèn)為基本沒有脈動(dòng)。 圖23 負(fù)載換流電路及其工作波形 電路的工作波形如圖23b所示。因?yàn)橹绷麟娏鹘茷楹阒担膫€(gè)臂開關(guān)的切換使電流流通路徑改變，所以負(fù)載電流基本呈現(xiàn)為矩形波。負(fù)載工作在對(duì)基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對(duì)基波阻抗很大，對(duì)諧波阻抗很小，uo波形接近正弦。 工作過程：t1時(shí)刻前，SS4為通態(tài)，SS3為斷態(tài)，uo、io均為正，SS3上施加的電壓即為uo；t1時(shí)刻時(shí)，觸發(fā)SS3使其開通，uo通過SS3分別加到SS1上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從SS4轉(zhuǎn)移到SS2。觸發(fā)SS3的時(shí)刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。 ④強(qiáng)迫換流 設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）。通常利用附加電容上儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，也稱為電容換流。 直接耦合式強(qiáng)迫換流——由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓。VT通態(tài)時(shí)，先給電容C充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷。 圖24 直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 電感耦合式強(qiáng)迫換流——通過換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流。 兩種電感耦合式強(qiáng)迫換流： 圖25a中晶閘管在LC振蕩第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷。 圖25b中晶閘管在LC振蕩第二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷。
圖25 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流（圖24）。先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加反壓的換流叫電流換流（圖25）。 當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅。 電壓型逆變器 逆變器按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。 圖26 電壓型逆變電路舉例 （全橋逆變電路） 電壓型逆變電路有以下特點(diǎn)： (1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)。(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。 (3)阻感負(fù)載時(shí)需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。 單相半橋逆變電路工作原理：V1和V2柵極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏、半周反偏，且二者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，其工作波形如圖27b所示。輸出電壓uo為矩形波，幅值為 Um=Ud/2，輸出電流io波形隨負(fù)載而異。當(dāng)V1或V2為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；而當(dāng)VD1或VD2為通態(tài)時(shí)，負(fù)載